金屬3D打印技術及其專用粉末的研究進展(4)
時間：2017-02-11 22:19 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
2.3 電子束選區熔化技術( EBSM)
EBSM是采用高能電子束作為加工熱源，掃描成形可以通過操縱磁偏轉線圈進行，且電子束具有的真空環境，還可以避免金屬粉末在液相燒結或熔化過程中被氧化。鑒于電子束具有的上述優點，瑞典 Arcam公司、清華大學、美國麻省理工學院和美國 NASA 的Langley 研究中心，均開發出了各自的電子束快速制造系統 ，前兩家利用電子束熔化鋪在工作臺面上的金屬粉末，與激光選區燒結技術類似；后兩家利用電子束熔化金屬絲材，電子束固定不動，金屬絲材通過送絲裝置和工作臺移動，與激光凈成形制造技術類似。
EBSM技術是20世紀90年代中期發展起來的一種金屬零3D打印技術，其與SLM/DMLS系統的差別主要是熱源不同，在成型原理上基本相似。與以激光為能量源的金屬零件3D打印技術相比，EBSM 工藝具有能量利用率高、無反射、功率密度高、聚焦方便等許多優點。在目前3D打印技術的數十種方法中，EBSM技術因其能夠直接成型金屬零部件而受到人們的高度關注。
國外對EBM工藝理論研究相對較早，瑞典的Arcam AB公司研發了商品化的EBSM設備EBM S12系列，而國內對EBSM工藝的研究相對較晚。Heinl等采用Ti6-Al4-V、Ramirez采用Cu、Murr采用Ni基和Co基高溫合金、Hernandez等人采用TiAl制備了一系列的開放式蜂巢結構。通過改變預設置彈性模量E，可以獲得大小不同的孔隙，降低結構的密度，獲得輕量化的結構。K.N.Amato等人利用Co基高溫合金矩陣顆粒制備了柱狀碳化物沉積結構。
Ramirez等采用Cu2O制備了新型定向微結構，發現在制備過程中，柱狀Cu2O沉淀在高純銅中這一現象。劉海濤等研究了工藝參數對電子束選區熔化工藝過程的影響，結果表明掃描線寬與電子束電流、加速電壓和掃描速度呈明顯的線性關系，通過調節搭接率和掃描路徑可以獲得較好的層面質量。鎖紅波等研究了EBSM制備的Ti-6Al-4V試件的硬度和拉伸強度等力學性能，結果表明成型過程中Al元素損失明顯，低的氧氣含量及Al含量有利 于塑性提高；硬度在同一層面內和沿熔積高 度方向沒有明顯差別，均高于退火軋制板的硬度水平。 利用金屬粉末在電子束轟擊下熔化的原理，先在鋪粉平面上鋪展一層粉末并壓實； 然后，電子束在計算機的控制下按照截面輪廓的信息進行有選擇的熔化/燒結，層層堆積，直至整個零件全部熔化/燒結完成。
EBSM 技術主要有送粉、 鋪粉、 熔化 等工藝步驟，因此，在其真空室應具備鋪送粉機構、粉末回收箱及成形平臺。同時，還應包括電子槍系統、真空系統、電源系統和控制系統。其中，控制系統包括掃描控制系統、運動控制系統、電源控制系統、真空控制系統和溫度檢測系統，如圖 3 所示。 瑞典 Arcam 公司制造生產的 S12 設備是電子束選區熔化技術在實際應用中的最好實例。該公司在 2003 年就開始研究該項技術，并與多種領域結合探究。目前，EBSM技術在生物醫學中得到了大量應用，相關單位正積極研究它在航空航天領域中的應用，美國在空間飛行器方面的研究重點是飛行器和火箭發動機的結構制造以及月球或空間站環境下的金屬直接成形制造。
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